Понятие свариваемости металлов

Принципиальная возможность сварки двух или нескольких твердых тел связана с их взаимной растворимостью в жидком состоянии, поскольку процесс диффузии между разными сплавами в твердом или жидком состоянии возможен при наличии растворимости одного или нескольких элементов свариваемых сплавов (в твердом или в жидком состоянии). Причем полная нерастворимость металлов в жидком состоянии исключает возможность растворимости их в твердом состоянии. Образование между ними какого-либо сварного соединения становится невозможным без помощи иного связывающего тела. Очевидно, лучше всего свариваются материалы с неограниченной взаимной растворимостью.

Однако при сварке плавлением нередко материалы хорошо свариваются и без всякой взаимной растворимости. Связано это с тем, что в сварочной ванне образуется расплав типа механической смеси, и при кристаллизации на зернах каждого из материалов, как на подложке из расплава, будут преимущественно надстраиваться атомы того же самого материала. В результате переход от каждого материала к материалу шва не будет резким, а изменение свойств при переходе через шов будет плавным.

В то же время при сварке давлением в твердом состоянии свариваемость таких материалов будет плохой. Отсутствие взаимной растворимости исключает взаимодиффузию, а при отсутствии жидкой ванны нет и перемешивания. В результате стык будет являться гетерогенной границей с невысоким, как правило, комплексом механических свойств. Поэтому качество сварки должно зависеть в первую очередь от способа диффузионного смешивания свариваемых тел в жидком состоянии, а в конечном счете – от технологических приемов процесса сварки.

Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации (т. е. без трещин, пор и других дефектов), называется свариваемостью. Причем свариваемость не является свойством тела самого по себе, безотносительно к другому телу. Понятие свариваемости двух или нескольких тел включает в себя отношение их между собой по способности образовывать сварное соединение между собой или с помощью других тел.

Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств – равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционности, вязкости и т. д.

Свариваемость определяют три группы факторов:

? химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[20], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);

? сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;

? вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке.

При определении свариваемости исходят из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Степень свариваемости металла считается более высокой, если для сварки можно применить различные ее способы и различные режимы при каждом способе, как, например, у низкоуглеродистой стали.

Единого показателя свариваемости металлов нет. Для качественной сварки металлы должны обладать свойствами принципиальной (физической) и технологической свариваемости.

Принципиальная, или физическая, свариваемость – это способность металлов в условиях сварки образовывать соединение на основе взаимной кристаллизации. Принципиальной свариваемостью обладают все однородные металлы. Не свариваются металлы, не обладающие взаимной растворимостью, они образуют не межатомные связи, а хрупкие химические соединения. Например, свинец и медь образуют несмешивающиеся пары.

Необходимо также условие сходности металлов, например, по атомному весу, температуре плавления и др. По этим причинам не свариваются алюминий и висмут. Медный сплав и титан, а также сталь и титан не обладают взаимной растворимостью, но задача их соединения решена с применением металловставок, например, медь + тантал + титан; титан + ванадий + сталь. Металл вставки образует смешивающиеся пары с обоими свариваемыми металлами. Но принципиального соединения еще мало, так как нужно еще и качество по прочности. При соединении сваркой несмешивающихся металлов, например железа со свинцом, меди со свинцом и др., зоны сплавления и атомного сцепления не будет, произойдет лишь «слипание» металлов.

Технологическая свариваемость – совокупность свойств основного металла, определяющих чувствительность его к термическому циклу сварки и способность при данной технологии сварки образовывать сварное соединение надлежащего качества по прочности и вязкости без применения специальных технологических приемов (подогрева, отжига и т. д.).

Технологические факторы, ухудшающие свариваемость:

? резкое отличие материалов деталей по свойствам (химическому составу, теплофизическим параметрам, механическим свойствам);

? образование при сварке оксидов, пористости, газовых раковин;

? возникновение значительных напряжений;

? наличие геометрических дефектов (несплавлений, подрезов, резких переходов толщин изделия и т. п.).

Словосочетание «плохая свариваемость» не означает, что плохо проходит сам процесс сварки, формирование шва. Смысл слов «хорошая» и «плохая» свариваемость в том, какой будет эксплуатационная пригодность сварного узла после сварки.

Важнейшими критериями свариваемости являются стойкость против образования горячих и холодных трещин и склонность образовывать закалочные структуры в ЗТВ как самой ослабленной области в сварном соединении. Вследствие нагрева до температуры 1100–1400 °C структура металла в этой зоне крупнозернистая с пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева (как при газовой сварке).